芻議電力終端融合通信的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘 要：電力終端具有非常復(fù)雜的接入方式，目前智能電網(wǎng)的發(fā)展越來(lái)越快，因此過(guò)于單一的通訊技術(shù)已逐漸不能適應(yīng)終端通信業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，在技術(shù)方向嚴(yán)重制約了智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。而結(jié)合EPON技術(shù)的傳播優(yōu)勢(shì)后，多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)和EPON作為主要的電力通信網(wǎng)絡(luò)和終端數(shù)據(jù)的ONU的設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)不同終端通信接口數(shù)據(jù)的綜合接入和不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，采用沒(méi)有源頭的光的網(wǎng)絡(luò)寬帶具有可以高速傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，這可以高效地減少建設(shè)電力系統(tǒng)的成本，使電力系統(tǒng)的終端的發(fā)展能夠適應(yīng)社會(huì)的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：EPON；終端通信；融合網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）14-0055-02

引 言

在電力終端通信的系統(tǒng)里面，通信網(wǎng)關(guān)是電力系統(tǒng)重要的一員，通信網(wǎng)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，例如在完成用戶信息的收集、分布式電源的測(cè)量、對(duì)客戶需要的反應(yīng)和另外的服務(wù)等方面都得到很大應(yīng)用。與骨干電信網(wǎng)相比，用戶電力終端有一下幾個(gè)特點(diǎn)：終端拐點(diǎn)分散，傳輸距離有差別，可以嚴(yán)重影響城市電力建設(shè)。近幾年，電力終端網(wǎng)絡(luò)接入量依照著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展和智能配電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用發(fā)生了很大的變化。據(jù)此，本文提出了對(duì)電力終端綜合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)前在中國(guó)各地區(qū)的電力終端用戶環(huán)境和業(yè)務(wù)需求和當(dāng)前電力通信的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 終端通信網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及需求分析

1.1 端通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，電力終端通訊有很多種接入方式，根據(jù)有線和無(wú)線兩種方式，主要分為兩種：通信方式，如表1所示。終端通信網(wǎng)絡(luò)具有多種接入設(shè)備、大量通信節(jié)點(diǎn)和集中式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。由于我國(guó)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地理環(huán)境、業(yè)務(wù)需求等因素的影響，單一的通信方式已不能滿足所有終端業(yè)務(wù)的需要。近年來(lái)，為了提高現(xiàn)有的電力終端通信技術(shù)水平，研究和開(kāi)發(fā)融合通信技術(shù)逐漸成為一個(gè)熱門話題和趨勢(shì)。目前，這一領(lǐng)域的融合技術(shù)主要是xPON+PLC、xPON+無(wú)線，這些通信方式基本上與兩種通信模式的集成，并不能完全適應(yīng)在中國(guó)不同地區(qū)的電源終端的通信需求。

1.2 電力終端通信網(wǎng)絡(luò)需求分析

近年來(lái)，隨著因特網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，用戶手中的移動(dòng)設(shè)備可以存在著各種各樣的智能終端，因此，智能電網(wǎng)下屬的電力終端通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)就要具有更高的要求。智能終端種類繁多，數(shù)量龐大，因此其接入的通信業(yè)務(wù)和種類也越來(lái)越多，當(dāng)前的終端通信技術(shù)已逐漸落后，無(wú)法滿足需求。采集和發(fā)送用戶信息，是電力終端接入電網(wǎng)終端的主要功能，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的電力業(yè)務(wù)和用戶交互。電信息采集可以在給定的時(shí)間內(nèi)收集數(shù)據(jù)信息的使用，例如電費(fèi)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制指令信息強(qiáng)，實(shí)時(shí)性要求高，但信息流量小，而用戶交互服務(wù)信息對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸?shù)母叩囊蟆?/p>

2 電力終端融合網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文中，EPON網(wǎng)絡(luò)的主要接入方式是電力終端接入網(wǎng)絡(luò)，以及融合網(wǎng)關(guān)，訪問(wèn)多種通信模式，都可以建立在ONU接入終端的設(shè)計(jì)上。EPON是光纖接入網(wǎng)技術(shù)，主要包括OLT和ONU，所有這一切都是光無(wú)源器件，也就是說(shuō)安裝不需要機(jī)房、電源設(shè)備，和相關(guān)的機(jī)器維修工人，因此在這些方面就節(jié)省了大量的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和建設(shè)成本，尤其與自動(dòng)化智能配電網(wǎng)絡(luò)的寬廣的系統(tǒng)構(gòu)成非常匹配。已經(jīng)存在的電力中心通信網(wǎng)絡(luò)大體上可以適用于擴(kuò)建配電網(wǎng)的基本條件。所以，EPON技術(shù)與融合網(wǎng)關(guān)的工作條件非常吻合。

電力終端融合通信網(wǎng)關(guān)的整體結(jié)構(gòu)體系是依托目前電力通信系統(tǒng)的研制基礎(chǔ)上，并與最新的信息通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成的一種安全可靠、整齊先進(jìn)的數(shù)據(jù)終端綜合接收設(shè)備。網(wǎng)關(guān)主要設(shè)置在ONU側(cè)，ONU端融合網(wǎng)關(guān)設(shè)備結(jié)合終端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，將各種通信接口的數(shù)據(jù)，如PLC、無(wú)線、光纖、等對(duì)ONU設(shè)備傳送給0lt裝置。OLT發(fā)送接收數(shù)據(jù)到服務(wù)器并將其發(fā)送到與之對(duì)應(yīng)的下屬業(yè)務(wù)系統(tǒng)，做到數(shù)據(jù)的能夠與終端的各種接口相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和視頻服務(wù)，并最終完成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)采集終端的信息共享、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)控制。

3 終端通信網(wǎng)關(guān)的功能模型及硬件設(shè)計(jì)

對(duì)電力終端通信網(wǎng)關(guān)的功能設(shè)計(jì)要連接接入網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ONU的上行連接的終端設(shè)備或適配器裝置通過(guò)下行網(wǎng)絡(luò)接口。

對(duì)電力終端融合網(wǎng)關(guān)的核心功能包括對(duì)電力終端各服務(wù)模塊的IP地址的獲取，實(shí)現(xiàn)DHCP認(rèn)證方式，PPPoE/靜態(tài)IP等。安全功能大部分用來(lái)阻擋違法向外網(wǎng)訪問(wèn)的設(shè)備權(quán)限和相關(guān)業(yè)務(wù)種類的違法連接。檢驗(yàn)功能大部分用來(lái)做到電源終端接入設(shè)備的IP地址檢測(cè)，可以做到自動(dòng)尋找設(shè)備和自動(dòng)配置，做到了網(wǎng)絡(luò)速度的隨時(shí)監(jiān)控；遠(yuǎn)程管理和終端設(shè)備及通信服務(wù)控制QoS功能，主要是分級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)和處理通信業(yè)務(wù)。Web的本地管理功能主要用來(lái)為管理員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登陸的功能，以管理和控制通信設(shè)備。網(wǎng)關(guān)已經(jīng)是通信系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其要做到調(diào)整和管控所有的網(wǎng)絡(luò)終端，保證在不一樣的通信接口和協(xié)議之間能夠正常轉(zhuǎn)換。作為骨干通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制和管理整個(gè)終端網(wǎng)絡(luò)，不同的通信接口和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換正常。因此必須要保證其穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾和信息處理的高效率。因?yàn)?，由于電力終端融合通信網(wǎng)關(guān)的功能包含著許多各種各樣的其他功能，所以在硬件的設(shè)計(jì)上就要麻煩許多。因此，硬件核心，主要由嵌入式CPU及其外圍電路，并完成網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)包括EPO NONU以太網(wǎng)交換模塊、PLC通信模塊、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊等。

硬件平臺(tái)的CPU將采用高性能ARM處理器，外部DDR2內(nèi)存也NAND Flash閃存，加上時(shí)鐘，jri'ag仿真、電源等電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)硬件平臺(tái)處理器。它連接EPON ONU模塊通過(guò)MII接口，實(shí)現(xiàn)了電源端子和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換。EPON ONU模塊內(nèi)嵌CPU和外部存儲(chǔ)器DDR2都具有獨(dú)立處理功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)訪問(wèn)通過(guò)RGM RGM II。它通過(guò)MII接口與CPU相連，用于終端接入網(wǎng)中主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接。q型電力線載波通信（plc）模塊由載波芯片和耦合電源組成，提供電力線載波通信接口，通過(guò)電力線載波通信方式實(shí)現(xiàn)終端接入。Wi-Fi模塊采用成熟的Wi-Fi AP模塊，通過(guò)pci插槽連接CPU，為通信訪問(wèn)或管理訪問(wèn)提供通信接口。GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊嵌入GSM/GPRS核心單元，通過(guò)RS232接口與CPU相連。它可以用作遠(yuǎn)程終端有線接入的備用保護(hù)方案。ZigBee模塊主要由ZigBeeSOC芯片組成。它是通過(guò)UART和CPU連接的。主要用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、抄表等業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)還提供可擴(kuò)展的USB接口，以滿足不同環(huán)境下的不同通信訪問(wèn)。

4 軟件設(shè)計(jì)方案

網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)對(duì)于網(wǎng)關(guān)的可用性和可靠性至關(guān)重要。我們?cè)谇度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)關(guān)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。首先，根據(jù)上述的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：①對(duì)底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，以及各種接口和平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行；②實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)中，不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收；③完成非通信模式之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。綜合通信網(wǎng)關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)通過(guò)軟件需求的功能分析分為三層。第一層是底層驅(qū)動(dòng)支持，主要完成對(duì)各個(gè)通信模塊和通信連接的驅(qū)動(dòng)，第二層是操作系統(tǒng)，本文采用linux嵌入式操作系統(tǒng)，提供TCP/IP協(xié)議的支持。第三層是應(yīng)用層，主要完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，以及輸入輸出的處理。引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)初始化硬件并設(shè)置內(nèi)存空間圖，為最終操作系統(tǒng)內(nèi)核的調(diào)用做好準(zhǔn)備；應(yīng)用程序通過(guò)底層Linux內(nèi)核中的硬件驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用來(lái)完成硬件的操作。在設(shè)計(jì)終端通信網(wǎng)關(guān)時(shí)，選擇嵌入式linux操作系統(tǒng)。它能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，并且由于Linux本身的開(kāi)放性和可移植性，已經(jīng)成為本次設(shè)計(jì)的理想選擇。在該開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)外部WiFi模塊、交換機(jī)模塊和GPRS模塊的集成，完成網(wǎng)關(guān)所需的特定服務(wù)。核心技術(shù)包括底層操作系統(tǒng)和接口驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)、不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和開(kāi)發(fā)以及圖形界面的開(kāi)發(fā)。這些核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以完成網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭 寶，喻 強(qiáng)，甄 沖，等.電力終端融合通信的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016（z1）.

[2]李 超.基于WebRTC技術(shù)的iOS融合通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所），2017.

[3]孫 龍.USB VoIP融合通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué)，2010.

收稿日期：2018-4-14